TD-LTE RAN承載網技術方案研究

陳曉明 高軍詩 李勇

（中國移動通信集團設計院有限公司 北京 100080）

1 前言

新一代寬帶無線移動通信技術（LTE，Long Term Evolution）作為信息通信技術發展方向的代表，逐漸受到各國政府及運營商的關注。TD-LTE作為LTE技術的重要分支，是我國在通信行業取得的重大突破TD-SCDMA標準的后向發展路標和向IMTAdvanced（4G）演進的方向，是我國發展成為通信強國的堅實基礎。

北歐運營商TeliaSonera已在瑞典啟動了全球首個LTE商用網絡，日本NTT DoCoMo和美國Verizon Wireless也宣布開始部署LTE網絡，最早將于2011年開始商用。為實現TD-LTE與LTE FDD同時起步、同步發展，推進TD-LTE產業鏈尤其是終端產品盡快成熟，加速商用化進展，迫切需要通過TD-LTE規模網絡試驗進行推進。

2 TD-LTE RAN承載需求分析

LTE網絡架構主要由eNode B和接入網關（aGW）兩部分構成，如圖1所示，和2G、3G網絡比較，少了RNC。eNode B除具有原Node B功能外，還承擔了RNC的大部分功能。aGW作為核心網的一部分，包括3種功能實體：MME（Mobility Management Entity，移動管理實體）、SGW（Service Gateway，服務網關）和PGW（PDN Gateway，分組數據網網關）。

2.1 S1接口承載需求

S1接口為eNode B和aGW之間的接口需求，按照承載的業務不同分為S1-U和S1-C兩種接口，S1-U主要承載用戶面數據，具體連接eNode B和SGW，S1-C主要承載控制面數據，具體連接eNode B和MME。

在LTE網絡中，由于引入了SGW-pool和MME-pool功能，對S1接口提出了Flex的要求，eNode B可以同時歸屬到多個MME、SGW，與多個MME、SGW建立連接，滿足無線網絡負載分擔、冗余備份的需求，提高網絡的利用率和可靠性。

圖1 TD-LTE RAN網絡結構及接口示意圖

2.2 X2接口承載需求

為保證UE在不同eNode B漫游時，用戶數據可以在eNode B之間直接進行交換，降低轉發時延，LTE引入了X2接口，X2接口為相鄰eNode B直接的接口。X2接口要求承載網支持部分Mesh的架構，需要在相鄰基站之間建立邏輯連接。

2.3 承載時延需求

要滿足LTE的呼通率、服務質量，S1邏輯連接的承載延時要求5～10ms。要滿足用戶業務的小區切換需求，X2連接的承載延時要求信令面10～20ms，數據面50～100ms，LTE正在計劃引入的動態ICIC功能將會對網絡時延提出更高要求。

2.4 承載帶寬需求

S1接口的不同配置對承載帶寬需求如表1所示。

表1 LTE典型帶寬需求

而X2接口帶寬一般為S1接口的3%，根據上述要求計算如下：

2.4.1 宏基站

按照一個宏基站為S1/1/1，配置3個20MHz小區，上下行按照2:2配置，LTE基站峰值帶寬需求約為240Mbit/s，平均帶寬（仿真結果）為60Mbit/s。

2.4.2 室內分布站

按照一個室分站為O1，配置1個20MHz小區，上下行按照2:2配置，LTE基站峰值帶寬需求約為80Mbit/s，平均帶寬（仿真結果）為45Mbit/s。

考慮到PTN的承載效率，LTE基站傳輸帶寬需求如下：

宏基站（S1/1/1） ：峰值帶寬320Mbit/s，平均帶寬80Mbit/s；

室內分布系統（O1）：峰值帶寬110Mbit/s，平均帶寬60Mbit/s。

2.5 同步要求

TD-LTE網絡除了頻率同步要求外，還需要時間同步，精度要求為±1.5us，與TD-SCDMA網絡的要求一樣。

2.6 LTE-RAN承載需求的特點

（1）高帶寬。由于LTE能夠為用戶提供的無線速率大幅提高，因此對承載網絡的帶寬需求也成倍增加。

（2）L3需求。由于LTE網絡引入S1-flex概念和X2接口，eNode B需要建立到不同的SGW/MME之間的接口，以及相鄰eNode B的X2接口，承載網絡需要支持L3功能才能對LTE的流量進行疏導。

（3）網絡規模更大。LTE實現深度覆蓋，在覆蓋區域網絡節點數將是現有基站數量的2－3倍。

（4）統一承載要求。LTE和2G、3G網絡共存，承載網考慮多場景統一接入，現有承載網應具備向分組網絡平滑演進的需求。

（5） 高網絡可靠性。承載IP化同樣要求網絡保證高可靠性，故障切換小于50ms。

（6）嚴格的網絡QoS。E2E時延要求小于20ms，比2G、3G需求更嚴格。

（7）時間同步。TD-LTE需要時間同步。

3 TD-LTE RAN承載網解決方案

通過前面的需求分析可知，LTE-RAN承載相比3G業務的承載，最大的變化在于下面兩點：

（1）S1接口需要靈活的調度能力，可以靈活的歸屬到多個MME/AGW；

（2）在基站之間有X2接口的承載需求。

對于第一點，因為給每個基站建立多條單獨的路徑歸屬到不同aGW會導致連接的數量急劇增加，對PTN的處理能力要求也急劇增加，PTN幾乎不可能完成，所以需要動態路由轉發來解決。動態路由轉發部署應控制在核心層完成，這樣可以把路由域的規模控制得比較小，提高網絡的可擴展性和安全性。

對于第二點，X2接口承載可以在接入、匯聚層內通過L2VPN的方式解決，但帶來一個問題是，L2VPN網絡規模受限，而且存在廣播風暴的風險，由于考慮到X2接口的帶寬約占S1帶寬的3%～5%左右，因此對于X2也可以利用匯聚核心調度層的動態轉發能力來支持。

基于這兩點考慮，有幾種思路來解決LTE的承載，下面分別對他們進行描述和分析對比。

3.1 PTN+CE路由器方案

接入、匯聚、核心層采用PTN 組網，路由器成對部署在SGW/MME節點，完成IP業務的轉發。通過路由器的L3VPN功能，為S1提供靈活的調度能力，以及X2接口的轉發能力，如圖2所示。

3.2 PTN支持簡化L3 VPN方案方案

采用PTN端到端組網，核心層的PTN支持簡化L3VPN，提供IP轉發能力，滿足LTE承載對S1的靈活調度以及X2接口的IP轉發需求。對于S1流量：經接入層PTN統一送到核心層PTN，由核心層PTN根據目的IP地址（MME/SGW）查找L3VPN的路由表，封裝LSP和L3VPN的標簽， 經由核心層設備間的轉發到達歸屬的MME/SGW，如圖3所示。

圖2 PTN+CE路由器方案

圖3 PTN支持簡化L3 VPN方案

對于X2流量：經接入層PTN統一送到核心層PTN，由核心層PTN根據目的IP地址（相鄰的基站）查找L3VPN的路由表，以決定流量是經由核心層環送往非本地歸屬的基站；或向下轉發，經由本地的L2VPN封裝送外相鄰的基站。

3.3 “IP RAN”方案

使用路由型設備端到端組網或在接入層使用增強以太網設備，所有業務流量動態轉發，使用基于路由器架構的保護倒換方案。業務調度方式與PTN L3VPN方案基本相同。

3.4 方案比較

下面從網絡維護、網管能力、保護、同步、投資、安全、時延、網絡演進幾個方面對上面3種方案進行分析、對比，如表2所示。

通過對比分析，在PTN上集成簡化的L3功能方案有以下優勢：

PTN統一組網，全部采用靜態方式，配置簡單，對運維人員要求低，可維護性非常好；

PTN端到端統一網管，可以充分利用PTN網管的優勢，提高管理效率；

采用PTN端到端組網，在一種技術PTN體制下的保護，保護能力強；

通過對核心層PTN設備軟件升級的方式支持簡化L3能力，無設備硬件投資，建設成本較低；

業務路徑都在Backhaul的PTN網絡內，時延小。

4 PTN支持簡化L3 VPN方案原理

PTN設備支持L3 VPN功能，是對PTN提出的新功能要求。下面就PTN支持簡化L3 VPN功能的基本原理進行介紹。

4.1 L3VPN技術簡介

L3 VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網）就是對用戶網絡進行虛擬的三層互聯，對用戶來講，就像是自己的網絡接到一個虛擬的路由器上一樣。基本網絡架構如圖4所示。

圖4 PTN支持簡化L3 VPN基本網絡架構示意圖

在MPLS骨干網絡上為客戶提供L3VPN服務，關鍵技術如下：

隧道技術：PE之間建立LSP，作為L3VPN客戶業務的承載隧道；

VPN路由技術：PE之間的VRF路由發布，通過BGP擴展MP-BGP完成；

PE和CE之間的路由發布和學習，通過IGP（OSPF、ISIS、RIP等）完成。

4.2 PTN支持L3VPN方案

PTN為了支持L3的轉發能力，借鑒了數據設備的L3 VPN原理，并與PTN技術做了深度的融合，PTN支持L3VPN基本原理圖如圖5所示。

表2 LTE-RAN承載網技術方案比較

這里PE設備指的是核心層PTN設備，CE設備指的是e-Node B設備。

PE之間的隧道技術仍然采用PTN的靜態隧道技術，在PE節點之間建立網狀網的PTN靜態隧道。PE之間的VRF路

由，可以通過MP-BGP來發布和學習，也可以通過網管配置靜態路由來完成。PE和CE之間的路由可通過IGP（OSPF、ISIS、RIP等）實現或在PE上配置到基站的靜態路由。

eNode B通過VLAN接入PE節點，PE節點在接收到eNode B的報文后，通過分析報文的IP地址，根據路由表進行判斷，轉發到相應的PTN隧道至目標PE節點，或者該PE所連接的核心網網元，或是該PE節點所轄的接入層PTN設備。

5 結束語

圖5 PTN支持L3VPN基本原理圖

在PTN承載LTE的L3VPN方案中，通過在核心節點實現VRF路由，在接入、匯聚層配置E-Line完成L2層網絡（接入匯聚）到L3層網絡（核心網）的接入。這樣在接入匯聚核心，PTN實現端到端組網，方便運維。在核心層提供L3轉發，可以有效隔離L2廣播，并提供S1接口承載的靈活調度能力，滿足SGW、MME Pool的需求。同時L3 IP和L2一樣，只作為一種業務類型，通過L3VPN進行承載，NNI側仍然采用PTN的技術，以充分利用PTN的OAM和保護能力。

TD-LTE的商用化進程已經漸漸走近，面對LTE帶來的高帶寬、扁平化、低時延等新的承載需求，PTN仍是目前最佳的承載解決方案，同時TD-LTE應對目前的PTN設備提出了新的要求。PTN支持L3 VPN方案可以提供一種簡單、可靠、可運維、可管理、成本低的LTE端到端解決方案，為PTN的技術演進指引了方向。但現網部署的PTN設備需要升級才能支持L3 VPN功能，因此在TD-LTE規模試驗網絡建設時，仍應主要采用PTN+CE的組網方案，同時應進行PTN支持L3 VPN的試點，以推進PTN支持L3 VPN方案的完善，為今后網絡部署積累經驗。